楊 康，郭 鑫，李文鑫，劉光照，張 哲，王建志，侯文輝

(1.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590；2.榆林市榆神煤炭榆樹灣煤礦有限公司，陜西 榆林 719000；3.山東能源新礦集團(tuán)翟鎮(zhèn)煤礦，山東 泰安 271204；4.中石化經(jīng)緯有限公司地質(zhì)測(cè)控技術(shù)研究院，山東 青島 266000)

“三下”開采一直是制約礦井發(fā)展的難題，在國(guó)內(nèi)各類大、中小型煤礦，一般都有出現(xiàn)。尤其是東部地區(qū)礦山，問(wèn)題更為突出，僅山東能源新礦集團(tuán)“三下”資源就占6260.5萬(wàn)t。為了解決“三下”壓煤?jiǎn)栴}，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究與試驗(yàn)[1-5]，包括部分開采、長(zhǎng)壁式充填開采、條帶開采與充填相結(jié)合開采、充分采動(dòng)覆巖離層注漿開采等多種“三下”開采技術(shù)，其中，部分開采技術(shù)未對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填，其開采成本最低，煤炭資源回收率也最小；長(zhǎng)壁式充填開采技術(shù)，采用前采后充的開采方式，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行了及時(shí)、大范圍充填，充填率達(dá)到85%以上，煤炭采出率為75%，且設(shè)備投入費(fèi)用較高；而充分采動(dòng)覆巖離層注漿開采技術(shù)的應(yīng)用，理論上能使得煤炭采出率達(dá)到最大，但前期投入比較高，技術(shù)尚不成熟；相比而言，目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的“三下”開采多為條帶開采、充填相結(jié)合的開采技術(shù)[6-11]。

新礦集團(tuán)翟鎮(zhèn)煤礦綜合上述充填技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，形成了適用于自身?xiàng)l件的短壁膠結(jié)密實(shí)充填技術(shù)，并進(jìn)行工藝改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了月度單產(chǎn)1.8萬(wàn)t。該技術(shù)在頂板控制理論上深化了短壁冒落區(qū)嗣后充填技術(shù)，更為簡(jiǎn)捷有效地解決開采過(guò)程中通風(fēng)、落煤、裝運(yùn)、頂板支護(hù)和采空區(qū)處理等相關(guān)問(wèn)題。以掘進(jìn)機(jī)、接力防爆鏟車、伸縮帶式輸送機(jī)等替代傳統(tǒng)開采的支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)割煤、轉(zhuǎn)運(yùn)的靈活高效；通過(guò)支巷交替開采對(duì)開采空間進(jìn)行充填，以高強(qiáng)度充填體支撐頂板，較短壁冒落區(qū)嗣后充填進(jìn)一步降低了采場(chǎng)地應(yīng)力影響；通過(guò)對(duì)開采空間進(jìn)行膠結(jié)密實(shí)充填，避免采空區(qū)頂?shù)装蹇逅?，?shí)現(xiàn)對(duì)地面建構(gòu)筑物、承壓水等進(jìn)行保護(hù)的目標(biāo)。

1 工程概況

翟鎮(zhèn)煤礦七采擴(kuò)大區(qū)位于井田東北部，北臨井底車場(chǎng)，采區(qū)東西走向長(zhǎng)396～465m，南北傾斜寬258～424m，面積143645m2，可采儲(chǔ)量24.6萬(wàn)t，采用短壁膠結(jié)密實(shí)充填技術(shù)開采。對(duì)應(yīng)地表為泰新路以北、董家莊以西農(nóng)田，礦用公路位于采區(qū)中部貫穿南北，翟良路從采區(qū)東南部穿過(guò)。

F7401E工作面位于七采擴(kuò)大區(qū)首采工作面，整體為一單斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)中小斷層發(fā)育。該工作面平均煤厚3.3m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、厚度穩(wěn)定的中厚煤層；工作面基本頂為細(xì)砂巖，平均8.25m，直接頂為粉砂巖，平均0.9m，巖石硬度f(wàn)=3.0；直接底為粉砂巖，平均3.4m，巖石硬度f(wàn)=3.0；基本底為細(xì)砂巖，平均3.95m，巖石硬度f(wàn)=4.0。頂?shù)装鍘r性特征如圖1所示。

圖1 頂?shù)装鍘r性特征

工作面地表對(duì)應(yīng)位置為泰新路以北、董家莊以西農(nóng)田，埋深498～597m，屬于典型的“三下”壓煤淺部煤層開采。為保證安全高效開采，采用短壁膠結(jié)充填工作面布置，即將工作面按走向劃分為若干條傾向巷道，由里向外編號(hào)1，2，3，4，5，6，……，奇數(shù)巷為支巷，偶數(shù)巷為煤柱巷。每個(gè)支巷(煤柱巷)長(zhǎng)度57m，支巷(煤柱巷)施工時(shí)，下巷開門掘進(jìn)施工至上巷貫通。支巷(煤柱巷)掘進(jìn)施工完畢后，及時(shí)對(duì)巷道開門點(diǎn)進(jìn)行封堵，準(zhǔn)備留作充填使用。同時(shí)，考慮巷道充填效果及綜掘機(jī)的散熱情況，將工作面布置為偽傾斜，傾角平均為17°，巷道布置如圖2所示。

圖2 F7401E工作面巷道布置

2 充填技術(shù)

2.1 充填系統(tǒng)

充填材料主要成分為水泥、水、矸石，通過(guò)不斷探索與試驗(yàn)，三者最佳配比為0.7∶1∶12，同時(shí)，為保證充填強(qiáng)度，在矸石倉(cāng)給煤機(jī)下口加裝矸石高效破碎裝置，確保矸石粒徑小于2cm再進(jìn)入充矸系統(tǒng)。充填系統(tǒng)主要包括地面制漿系統(tǒng)和井下充填系統(tǒng)兩部分組成。其中，①地面制漿路線為：地面制漿站→充填鉆孔→F7401W上巷→首采面上巷；②矸石供應(yīng)路線：地面下矸或各采區(qū)矸石→-400東大巷→七采破碎站→七采回風(fēng)下山→七采回風(fēng)巷→上部集中運(yùn)矸(回風(fēng))巷→首采面上巷。

水泥漿與矸石按照一定的配比混合后，對(duì)支巷(充矸巷)從上巷到下巷進(jìn)行充填。在支巷下端(下巷處、低位)施工擋漿墻，自支巷上端(上巷處、高位)充矸，實(shí)現(xiàn)3天充填一條巷道。具體充填系統(tǒng)如圖3所示，同時(shí)，為保證矸石供應(yīng)，設(shè)置兩條充填路線。

圖3 充填系統(tǒng)

2.2 地面制漿系統(tǒng)

為方便地面制漿，設(shè)置地面漿站，制漿站安設(shè)3個(gè)容積均為80t的儲(chǔ)料罐(其中，兩個(gè)存放水泥，一個(gè)存放粉煤灰)，設(shè)計(jì)施工下漿料鉆孔輸送充填漿料。鉆孔對(duì)應(yīng)井下位置為首采區(qū)西南部煤層最高點(diǎn)。漿料由緩沖罐經(jīng)下漿料鉆孔直投運(yùn)至井下，管路彎折位置使用專用接頭和軟管，降低阻力，減少堵管現(xiàn)象發(fā)生。

在試驗(yàn)過(guò)程中不斷進(jìn)行系統(tǒng)改造，將地面制漿站升級(jí)為“智能制漿中心”，實(shí)現(xiàn)地面制漿的高效運(yùn)行、智能控制。一是優(yōu)化制漿站供水系統(tǒng)，施工蓄水池，將供水管路3寸改為4寸，同時(shí)增加一個(gè)潛水泵、一趟供水管路，實(shí)現(xiàn)“雙管+雙泵”供水，加水時(shí)間由110s降低到30s，減少80s；二是增加二級(jí)攪拌罐，二級(jí)攪拌罐容量3m3，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)注漿，單罐制漿時(shí)間降至137s，小于單罐下漿時(shí)間150s，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)充漿；三是將攪拌機(jī)原來(lái)1.5m3的臥式攪拌機(jī)更換為3m3立式攪拌機(jī)，攪拌速度由原來(lái)的40r/min變?yōu)楝F(xiàn)在的700r/min；四是加快密實(shí)充填集中控制系統(tǒng)改造，完成井下充矸帶式輸送機(jī)集控改造，實(shí)現(xiàn)地面制漿遠(yuǎn)程控制。

2.3 矸石供應(yīng)系統(tǒng)

為保證矸石來(lái)源，所需矸石由七采區(qū)破碎站經(jīng)七采回風(fēng)下山、七采回風(fēng)巷反向運(yùn)至充填區(qū)域。充填矸石有限使用井下產(chǎn)矸，井下產(chǎn)矸不足時(shí)，由地面矸石鉆孔下矸補(bǔ)充。

在生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)地面矸石破碎系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造，共分為兩期。一期工程實(shí)現(xiàn)對(duì)洗選廠洗選矸石的破碎；二期工程實(shí)現(xiàn)對(duì)井下原生矸石及地面矸石山矸石的破碎。改造完成后實(shí)現(xiàn)了井下原生矸石不升井、地面洗選和矸石山矸石直接入井充填，實(shí)現(xiàn)矸石的充填連續(xù)性。

3 充填方案優(yōu)化

3.1 巷寬設(shè)計(jì)優(yōu)化

為更好分析工作面支巷與煤柱巷的寬度留設(shè)對(duì)工作面頂板及地表沉陷的影響，引入巷采充填地表沉陷模型[12-16]，如圖4所示。圖中，H為煤層等效開采厚度，m；H1為充填體最終壓縮量，m；H2為煤柱最終壓縮量，m；a為支巷寬度，m；b為煤柱巷寬度，m；W(x)為地表下沉曲線。

圖4 巷采充填地表沉陷模型

在工作面巷采充填設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮以下因素：一是為保持高的充實(shí)率，充填期間盡量保證直接頂不垮落；二是采用“間隔跳采”方式，保證充填體有足夠的凝固時(shí)間，確保充填強(qiáng)度；三是確保支巷與煤柱巷的寬度小于工作面周期來(lái)壓步距，避免巷道見方時(shí)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

支巷與煤柱巷寬度設(shè)計(jì)可由初次垮落步距計(jì)算：

式中，c為直接頂初次垮落步距，m；h1為直接頂度，m；[σt]為直接頂抗拉強(qiáng)度，MPa；γz為直接頂容重，N/m3。

根據(jù)工作面頂板情況，直接頂厚度為0.9m，粉砂巖抗拉強(qiáng)度[σt]=4.5MPa，巖層容重γz=2.5×104N/m3。根據(jù)式(1)得出，初次來(lái)壓步距c=18m，周期來(lái)壓步距一般為初次來(lái)壓步距的1/2～1/3，即周期來(lái)壓步距不大于6m，同時(shí)考慮支巷、煤柱巷使用的施工工藝、支護(hù)工藝等因素，并根據(jù)綜掘機(jī)、防爆鏟車的運(yùn)輸能力，將支巷的設(shè)計(jì)寬度為4.5m，煤柱巷的設(shè)計(jì)寬度為5m。

3.2 巷采工藝優(yōu)化

巷采工藝主要包括采煤工藝和充填工藝兩部分，整個(gè)采區(qū)形成全負(fù)壓通風(fēng)并設(shè)置風(fēng)門，在每一個(gè)巷道掘進(jìn)時(shí)采用局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。

1)“采煤”工藝。包括支巷及煤柱巷掘進(jìn)、支護(hù)、煤炭運(yùn)送等工藝，工作面“以掘代采”，在施工過(guò)程中，由試驗(yàn)階段的“炮掘”變?yōu)椤皺C(jī)掘”，采用“智能化綜掘機(jī)+防爆鏟車+40T刮板輸送機(jī)”配套工藝，即使用EBZ-160掘進(jìn)機(jī)截割、ZL20EFB防爆鏟車施工，同時(shí)優(yōu)化巷道支護(hù)參數(shù)，頂板完整段優(yōu)化排距，將中間第二、四根錨桿由1.1m優(yōu)化為1m，減少支護(hù)材料投入，每天進(jìn)尺18m，實(shí)現(xiàn)3天貫通1條支巷，月單進(jìn)達(dá)到500m。

在施工過(guò)程中，對(duì)“采煤”工藝進(jìn)行優(yōu)化，提出了三種運(yùn)輸模式，分別“綜掘機(jī)+伸縮帶式輸送機(jī)+鏟車”、“綜掘機(jī)+橋式帶式輸送機(jī)+鏟車”、“綜掘機(jī)+兩部鏟車接力”，經(jīng)對(duì)比，“綜掘機(jī)+伸縮帶式輸送機(jī)+鏟車”相對(duì)于其他兩種方案，避免了橋式帶式輸送機(jī)安裝吊掛機(jī)頭、鏟車接力調(diào)頭開硐室等缺點(diǎn)，同時(shí)每條支巷縮短鏟車運(yùn)行距離8km，節(jié)省運(yùn)輸時(shí)間13h，提高鏟車出煤效率，在生產(chǎn)中取得良好的效果。

2)“充填”工藝。包括漿料輸送、巷道充填及上下巷道封口工藝。輸漿巷內(nèi)敷設(shè)兩趟輸漿管路，一用一備，巷采完成后，根據(jù)采充程序沿傾向分兩步充填方式，即在下出口搭設(shè)止?jié){墻，并創(chuàng)新在下出口充填凝固體考慮提前預(yù)埋錨桿，后期不再單獨(dú)用風(fēng)鉆打眼、緊錨桿，采用全自動(dòng)液壓擋漿墻，能夠?qū)崿F(xiàn)不同斷面支巷(煤柱巷)的安全高效封堵，提高擋漿墻制作效率；在上出口安設(shè)自移式高效噴射機(jī)，噴射原料直接采用細(xì)矸和水泥漿，巷道充填至上口5m左右時(shí)，使用矸石噴射機(jī)進(jìn)行灌漿，確保充填接頂，噴射至充矸區(qū)域，封口速度由原來(lái)的2個(gè)小班減為1.5個(gè)小班，充填效率提高30%。對(duì)下封口的封堵工藝進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)研柔膜封堵技術(shù)，充填材料水灰比(配比為3∶1)，可實(shí)現(xiàn)20～30min凝固，3d后單軸抗壓強(qiáng)度為1.0MPa，7d后單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到2.8MPa；針對(duì)封堵形狀從人工、成本、效率等方面進(jìn)行科研論證，提出兩種不同截面支護(hù)方案(“矩形”截面和“矩形+三角形”截面)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)使用對(duì)比，采用“矩形+三角形”截面的柔膜封堵穩(wěn)定性更好，可取消單體支柱，其抗剪強(qiáng)度達(dá)到0.4MPa。

4 礦壓監(jiān)測(cè)

4.1 充填密實(shí)性

通過(guò)理論計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，核實(shí)充填支巷、煤柱巷所需的充填量，確保充填體接頂嚴(yán)實(shí)，同時(shí)為保證充填效果，對(duì)充填體強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到2.5MPa，可有效支撐上覆頂板，從而有效控制地表沉陷[17-22]。

4.2 巷道位移監(jiān)測(cè)

在工作面充矸巷、運(yùn)輸巷加密礦壓觀測(cè)點(diǎn)，除每25m布置一組頂板離層儀及十字測(cè)點(diǎn)以外，購(gòu)置了鉆孔應(yīng)力計(jì)、錨桿錨索應(yīng)力傳感器、頂板位移傳感器，每25m設(shè)置一條礦壓監(jiān)測(cè)線，實(shí)現(xiàn)礦壓數(shù)據(jù)在線傳輸。同時(shí)在支巷上縮口的煤柱制定回收方案，避免應(yīng)力集中，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，頂板離層儀讀數(shù)均小于10mm，頂?shù)装逡平啃∮?0mm，兩幫移近量小于20cm，巷道無(wú)明顯的變形。

4.3 地表變形監(jiān)測(cè)

為觀測(cè)短壁膠結(jié)充填巷采對(duì)地表的影響程度，在七采擴(kuò)大區(qū)布置了兩條測(cè)線，采用高清電子水準(zhǔn)儀和GPS對(duì)地表進(jìn)行觀測(cè)。通過(guò)巖移觀測(cè)站監(jiān)測(cè)，地表最大下沉值為0.11mm，基本不受采動(dòng)影響。

5 效益分析

5.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

1)解放“三下”壓煤資源。自2019年4月份進(jìn)行短壁膠結(jié)充填，每月掘進(jìn)10條支巷、產(chǎn)量1.8萬(wàn)t，每條支巷掘進(jìn)成本為68.25元/t，充填成本為126元/t，各項(xiàng)材料費(fèi)、維修費(fèi)等費(fèi)用成本約275.75元/t，若按市場(chǎng)價(jià)860.82元/t計(jì)算，綜合利潤(rùn)為390.2元/t，僅七采擴(kuò)大區(qū)壓煤資源量達(dá)到24.6萬(wàn)t，創(chuàng)造效益9598.92萬(wàn)元。

2)資源稅減免，資源稅按銷售額的4%收取，根據(jù)減免50%政策，預(yù)計(jì)資源稅減免總收入為24.6×860.82×4%×50%=423.22萬(wàn)元。

綜上合計(jì)實(shí)現(xiàn)效益10022.14萬(wàn)元。

5.2 社會(huì)效益分析

1)有利于延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限。穩(wěn)定礦井生產(chǎn)接續(xù)，尤其對(duì)于老區(qū)資源衰竭礦井，且該技術(shù)適用性強(qiáng)，相比常規(guī)綜采可以更為有效地回收邊角不規(guī)則塊段，能有效實(shí)現(xiàn)矸石就地處理。

2)有利于處理矸石。實(shí)現(xiàn)矸石不升井、逐步消化地面矸石山，對(duì)改善礦區(qū)環(huán)境面貌具有重要的意義，同時(shí)減少矸石的運(yùn)輸及提升費(fèi)用。

3)減小地表變形?？刂频乇碓谠试S下沉的可控范圍之內(nèi)，避免了對(duì)地面建筑破壞，從而避免了村莊變遷、塌陷補(bǔ)償、地企糾紛等一系列問(wèn)題和相關(guān)投入，有利于保障企業(yè)持續(xù)穩(wěn)定健康發(fā)展。

6 結(jié) 論

1)短壁膠結(jié)充填工藝是基于資源開發(fā)與生態(tài)保護(hù)互相協(xié)調(diào)的一種新型開采工藝，可實(shí)現(xiàn)“三下一上”資源，尤其是斷層構(gòu)造區(qū)不規(guī)則塊段資源高效經(jīng)濟(jì)回收，僅七采擴(kuò)大區(qū)創(chuàng)造效益10022.14萬(wàn)元。

2)通過(guò)地面制漿系統(tǒng)及矸石充填系統(tǒng)改造，實(shí)現(xiàn)了地面制漿智能控制，確保矸石粒徑控制在2cm。

3)通過(guò)理論分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，當(dāng)支巷設(shè)計(jì)寬度4.5m，煤柱巷設(shè)計(jì)寬度5m時(shí)，適用于當(dāng)前“智能綜掘機(jī)+防爆鏟車+40T刮板輸送機(jī)”掘進(jìn)工藝，實(shí)現(xiàn)了月單進(jìn)500m，且巷道無(wú)明顯變形。

4)設(shè)計(jì)采用自移式高效噴射機(jī)和“全自動(dòng)液壓擋漿墻”，提高充填機(jī)械化程度，充填效率提高30%，為短壁膠結(jié)充填開采提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。